JPWO2014002227A1 - 電池の製造方法及び電池 - Google Patents

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Abstract

アルミニウム箔が露出した箔露出部が重なる箔重層部と、アルミニウムからなる正極端子部材とが複数のナゲットを介して結合してなる電池の製造方法は、箔重層部において、アルミニウム箔同士を超音波溶接により溶着して、接合予定面の少なくとも一部に第1高位部と、第1高位部内に散点状に分布する複数の第1低位部とを成形した箔溶着部を形成する形成工程と、第1高位部を正極端子部材に当接させ、電流を流して第1低位部にナゲットを生成し、ナゲットを介して箔溶着部と正極端子部材とを抵抗溶接する抵抗溶接工程とを備える。

Description

本発明は、正極板のうちアルミニウム箔の箔露出部が厚み方向に重なる箔重層部を有する電極体と、アルミニウムからなり、箔重層部に抵抗溶接された正極端子部材とを備える電池、及び、このような電池の製造方法に関する。
近年、ハイブリッド自動車、電気自動車などの車両や、ノート型パソコン、ビデオカムコーダなどのポータブル電子機器の駆動用電源に、充放電可能な電池が利用されている。このような電池に用いる技術として、例えば、特許文献1には、積層したアルミニウム箔をアルミニウムからなるベース板に抵抗溶接する接合方法が開示されている。具体的には、この接合方法は、積層した複数のアルミニウム箔を超音波溶接で仮付けした仮付部を形成する超音波仮付工程と、この仮付部とベース板とを2つの電極で挟み、これら電極に通電して仮付部とベース板とを抵抗溶接する抵抗溶接工程とを備える。
特開2010−184260号公報
ところで、一般に2つの金属部材を抵抗溶接する際には、これらの間にナゲット(2つの金属部材の一部同士が溶融、混合及び固化してできた領域)が形成されるようにして、2つの金属部材を溶接する。形成されるナゲットの大きさが小さいと、2つの金属部材間の溶接強度が低くなるので、溶接強度を確保するためには大きいナゲットを形成することが求められる。一方、ナゲットが大きくなり過ぎるとナゲットから多量の溶融金属が噴出して空孔となり、逆に溶接強度が低下する虞がある。
なお、前述した特許文献1に記載の接合方法に用いる、仮付部(箔重層部)及びベース板(正極端子部材)の各表面には、高抵抗の酸化皮膜(アルミナ皮膜)がそれぞれ存在する。従って、仮付部及びベース板に電流を流して溶接するには、各表面の酸化皮膜の一部を壊す必要があり、抵抗溶接用の電極間に高い電圧を印加する必要がある。
一方、特許文献1の接合方法では、仮付部及びベース板の接触面をいずれも平面としているので、溶接場所(電流が流れる部位)が定まらない上、最初に酸化皮膜が破壊された1つの部位に集中して電流が流れる。しかも、高電圧としたことに伴う大きな電流が仮付部及びベース板を通じて流れるため、1つのナゲットのみが瞬時に大きくなり易い。このため、ナゲットの周囲の溶融していない仮付部或いはベース板の厚みが薄くなり破断しやすくなるため、溶融したアルミニウムがナゲットから仮付部或いはベース板の外側に多量に噴出し易く、仮付部とベース板との間で溶接強度を確保し難い。
本発明は、電極体の箔重層部と正極端子部材とを抵抗溶接で溶接しながらも、これらの間で良好な溶接強度を確保した電池、及び、このような電池の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、アルミニウム箔を有する正極板を含み、上記正極板のうち、上記アルミニウム箔が露出した箔露出部が厚み方向に重なる箔重層部を有する電極体と、アルミニウムからなり、上記箔重層部に抵抗溶接された正極端子部材と、を備え、上記箔重層部と上記正極端子部材とは、上記アルミニウム箔の拡がり方向に、散点状に分布する複数のナゲットを介して結合してなる電池の製造方法であって、上記箔重層部において、互いに重なるアルミニウム箔同士を超音波溶接により上記厚み方向に互いに溶着した箔溶着部であって、自身の表面のうち上記厚み方向一方側の接合予定面の少なくとも一部に、上記厚み方向一方側に高位の第1高位部と、上記第1高位部に比して低位で、上記第1高位部内に散点状に分布する複数の第1低位部と、を成形した箔溶着部を形成する形成工程と、上記第1高位部を上記正極端子部材に当接させ、電流を流し、上記第1低位部に上記ナゲットを生成し、上記ナゲットを介して上記電極体の上記箔溶着部と上記正極端子部材とを抵抗溶接する抵抗溶接工程と、を備える電池の製造方法である。
上述した電池の製造方法のうち抵抗溶接工程では、箔溶着部の第1高位部を正極端子部材に当接させ電流を流し、第1低位部にナゲットを生成する。
なお、ナゲットが第1低位部に生成される理由として、以下が考えられる。即ち、箔溶着部の第1高位部は、第1低位部ほどには、アルミニウム箔同士が高さ方向(アルミニウム箔の厚み方向)に強く圧接されておらず密接して重なっていない。このため、抵抗溶接の際、第1高位部の内部は相対的に高さ方向(厚み方向)に電流が流れにくいため、第1高位部を流れる電流は、第1高位部の内部を高さ方向に進むのではなく、第1高位部と第1低位部との間に位置して側面あるいは斜面をなすアルミニウム箔を通じて、第1低位部に進み、この第1低位部で高さ方向に進む(或いはこの経路を逆に進む)と考えられる。従って、抵抗溶接の際には、第1低位部の周りの側面あるいは斜面に集中して電流が流れて、この部位及び第1低位部が溶融する。
また、抵抗溶接工程では、第1高位部を正極端子部材に当接させて溶接を行う。このため、第1高位部は高さ方向に押圧されて、この第1高位部をなしているアルミニウム箔がそれぞれ薄くなる一方、その分の肉(アルミニウム)が第1高位部の周囲に拡がり方向に押し出される。そして、押し出されたアルミニウムは、前述した第1高位部と第1低位部との間の側面あるいは斜面で溶融されてナゲットを生成する。
このようにして、箔溶着部と正極端子部材との間に生成されたナゲットは、多点で箔重層部と正極端子部材とを結合する。このため、ナゲットから溶融したアルミニウムが噴出する虞は低く、噴出したとしても少量にとどまる。かくして、抵抗溶接でありながら、箔重層部と正極端子部材との間で良好な溶接強度を確保した電池を製造できる。
なお、形成工程としては、アルミニウム箔同士を超音波溶接により互いに溶着させて箔溶着部を形成した後に、プレスにより接合予定面に第1高位部あるいは第1低位部を設ける工程が挙げられる。また、超音波溶接に用いるホーンあるいはアンビルを凹凸形状とし、アルミニウム箔同士を互いに超音波溶接で溶着させると同時に、接合予定面に第1高位部及び第1低位部を設ける工程も挙げられる。また、第1低位部としては、例えば、円錐形状の凹部、ピラミッド(四角錐)等の多角錐形状の凹部、四角錐台などの錐台形状の凹部などが挙げられる。また、第1高位部内に複数の第1低位部を散点状に分布した形態としては、例えば、第1低位部を、格子状に配置した形態や放射状に配置した形態が挙げられる。
さらに、上述の電池の製造方法であって、前記形成工程は、前記箔溶着部の表面のうち、前記厚み方向他方側に位置し抵抗溶接用電極を当接させる電極側表面の少なくとも一部に、上記厚み方向他方側に高位の第2高位部と、上記第2高位部に比して低位で、上記第2高位部内に散点状に分布する複数の第2低位部と、を成形した上記箔溶着部を形成し、前記抵抗溶接工程は、上記抵抗溶接用電極で、上記第2高位部を上記厚み方向に押し潰しつつ行う電池の製造方法とすると良い。
なお、第2低位部としては、例えば、円錐形状の凹部、ピラミッド(四角錐)等の多角錐形状の凹部、四角錐台などの錐台形状の凹部などが挙げられる。なお、前述した第1低位部と同一種の形態としても、異なる形態としても良い。また、第2高位部内に複数の第2低位部を散点状に分布した形態としては、例えば、第2低位部を、格子状に配置した形態や放射状に配置した形態が挙げられる。
なお、複数の第1低位部を第1高位部内に格子状に配置し、かつ、複数の第2低位部を第2高位部内に格子状に配置して、しかも第2低位部同士間のピッチ(次述の第2ピッチP2)を第1低位部同士間のピッチ(次述の第1ピッチP1)よりも小さく(P2<P1)すると良い。
さらに、上述の電池の製造方法であって、前記複数の第1低位部は、前記第1高位部内に格子状に配置され、前記複数の第2低位部は、前記第2高位部内に格子状に配置されてなり、上記第2低位部同士間の第2ピッチP2が、上記第1低位部同士間の第1ピッチP1よりも小さく(P2<P1)されてなる電池の製造方法とすると良い。
さらに、上述のいずれかの電池の製造方法であって、前記電池は、前記ナゲットの前記厚み方向の最大寸法をMとし、前記箔重層部の厚みをTとしたとき、M/Tが0.20〜0.80の範囲である電池の製造方法とすると良い。
さらに、上述のいずれかの電池の製造方法であって、前記電池は、電池ケース内に前記電極体を密閉してなる密閉型電池であり、前記正極端子部材は、上記電池ケースの内圧上昇により、上記電極体への通電を遮断する圧力型通電遮断機構を有する電池の製造方法とすると良い。
さらに、本発明の他の一態様は、アルミニウム箔を有する正極板を含み、上記正極板のうち、上記アルミニウム箔が露出した箔露出部が厚み方向に重なる箔重層部を有する電極体と、アルミニウムからなり、上記箔重層部に抵抗溶接された正極端子部材と、を備え、上記箔重層部と上記正極端子部材とは、上記アルミニウム箔の拡がり方向に、散点状に分布する複数のナゲットを介して結合してなる電池である。
さらに、上述の電池であって、前記箔重層部は、前記アルミニウム箔同士を超音波溶接により前記厚み方向に互いに溶着した箔溶着部を有し、上記箔溶着部の少なくとも一部が、前記正極端子部材に前記複数のナゲットを介して抵抗溶接されてなる電池とすると良い。
さらに、上述のいずれかの電池であって、前記ナゲットの前記厚み方向の最大寸法をMとし、前記箔重層部の厚みをTとしたとき、M/Tが0.20〜0.80の範囲である電池とすると良い。
さらに、上述のいずれかの電池であって、電池ケース内に前記電極体を密閉してなる密閉型電池であり、前記正極端子部材は、上記電池ケースの内圧上昇により、上記電極体への通電を遮断する圧力型通電遮断機構を有する電池とすると良い。
実施形態(実施例1〜実施例6)にかかる電池の斜視図である。 実施形態(実施例1〜実施例6)にかかる電池の平面図である。 実施形態(実施例1〜実施例6)にかかる電池の説明図(図2のE部の部分拡大図)である。 実施形態(実施例1〜実施例6)にかかる電池の断面図(図2のB−B断面)である。 実施形態(実施例1〜実施例6)にかかる電池の部分拡大断面図(図4のC部)である。 実施形態(実施例1〜実施例6)の正極板の斜視図である。 実施形態(実施例1〜実施例6)にかかる電池の製造方法のうち形成工程の説明図である。 実施形態(実施例1〜実施例6)にかかる電池の製造方法のうち形成工程の説明図である。 実施形態(実施例1〜実施例6)にかかる電池の製造方法のうち形成工程の説明図である。 実施形態(実施例1〜実施例6)にかかる電池の箔溶着部の斜視図である。 実施形態(実施例1〜実施例6)にかかる電池の箔溶着部の斜視図である。 実施形態(実施例1〜実施例6)にかかる電池の製造方法のうち形成工程の説明図である。 実施形態(実施例1〜実施例6)にかかる電池の製造方法のうち抵抗溶接工程の説明図である。 実施形態(実施例1〜実施例6)にかかる電池の製造方法のうち抵抗溶接工程の説明図である。 実施形態(実施例1〜実施例6)にかかる電池の製造方法のうち抵抗溶接工程の説明図である。 実施形態(実施例1〜実施例6)にかかる電池の製造方法のうち抵抗溶接工程の説明図である。
(実施形態)
次に、本発明の実施の形態のうちの実施例1について、図面を参照しつつ説明する。まず、本実施例1にかかる電池1について説明する。この電池1は、扁平捲回型の電極体10と、この電極体10をなす正極板20(後述)に抵抗溶接された正極端子構造体60と、電極体10を収容する電池ケース80とを備える密閉型のリチウムイオン二次電池である(図1,2参照)。この電池1は、これらのほかに、電極体10をなす負極板30(後述)に接合(抵抗溶接)された負極端子構造体70を備える。この電池1の正極端子構造体60は、電池ケース80の内圧上昇により電極体10への通電を遮断する通電遮断機構62(後述)を有している(図1,2参照)。
この電池1をなす電池ケース80は、共にアルミニウム製の電池ケース本体81及び封口蓋82を有する。このうち電池ケース本体81は有底矩形箱形であり、この電池ケース本体81と電極体10との間には、樹脂からなり、箱状に折り曲げた絶縁フィルム(図示しない)が介在させてある。また、封口蓋82は矩形板状であり、電池ケース本体81の開口を閉塞して、この電池ケース本体81に溶接されている。
また、負極端子構造体70は、銅からなり、主として電池ケース80の内部に位置する負極内部端子部材71、同じく銅からなり、電池ケース80の外部に位置する負極外部端子部材78、及び、絶縁性樹脂のガスケット79からなる(図1,2参照)。このうち、ガスケット79は、負極外部端子部材78及び負極内部端子部材71と電池ケース80との間に介在し、これらを絶縁している。また、負極内部端子部材71は、電池ケース80内で、負極板30の負極リード部38f(後述)に接合している一方、電池ケース80の封口蓋82を貫通して、負極外部端子部材78と導通している。
一方、正極端子構造体60は、主として電池ケース80の内部に位置する正極内部端子構造体61、アルミニウムからなり電池ケース80の外部に位置する正極外部端子部材68、及び、絶縁性樹脂のガスケット69からなる(図1,2参照)。このうち、ガスケット69は、負極端子構造体70と同様、正極外部端子部材68及び正極内部端子構造体61と電池ケース80との間に介在し、これらを絶縁している。
また、正極内部端子構造体61は、電極体10の正極箔溶着部12(後述)と抵抗溶接で接合した接合部材63と、この接合部材63と正極外部端子部材68との間に位置する既知の通電遮断機構62とを有する。この通電遮断機構62は、電池ケース80の内圧が上昇して作動圧以上となった場合、正極内部端子構造体61と正極外部端子部材68との間に流れる電流を遮断する構成とされている。
また、接合部材63は、図4に示すように、通電遮断機構62と電気的に接続している、平板板状の本体部63X、及び、この本体部63Xから電極体10側にそれぞれ延出する2つの矩形帯板状の接合部63Y,63Yからなる。2つの接合部63Y,63Yは、扁平形状である電極体10の短径方向(図4中、左右方向)の両外側にそれぞれ位置し、正極箔溶着部12(後述)とそれぞれ接合している。
一方、電極体10は、帯状の正極板20及び負極板30が、ポリエチレンからなる帯状のセパレータ(図示しない)を介して扁平形状に捲回されてなる(図1参照)。また、この電極体10は、LiPFを添加した有機溶液である電解液(図示しない)が内部に含浸されている。この電解液は、正極板20の電位が自身の反応電位以上になった場合に、酸化分解反応及び重合反応が生じてガスを発生するガス発生剤(本実施例1では、反応電位が4.5V vs.Li/Liのビフェニル)を含む。なお、本実施例1では、ガス発生剤の反応電位が、本実施例1にかかる電池1の満充電(電池1の充電状態(SOC)がSOC100%)時の正極板20の電位(=4.1V vs.Li/Li)よりも高いものを用いている。このため、電池1が過充電(電池1のSOCがSOC100%を超えた)状態となり、さらに正極板20の電位がガス発生剤の反応電位以上となった場合には電池ケース80内にガスが発生する。これにより、電池ケース80の内圧Piが上昇して、前述した通電遮断機構62の作動圧を超えると、電極体10への通電が遮断される。かくして、本実施例1にかかる電池1では、過充電時に電極体10への通電が遮断されて、以降の電池1への過充電を抑制できる。
電極体10をなす負極板30は、帯状の負極箔(図示しない)のうち、一方辺に沿う負極リード部38fを残して、その両面に負極活物質層(図示しない)を担持してなる。また正極板20は、図6の斜視図に示すように、長手方向DAに延びる帯状でアルミニウムからなる正極箔28と、この正極箔28(正極箔28の両主面)の短手方向DB一方側(図6中、左上側)に偏って形成され、正極箔28の長手方向DAに延びる帯状の2つの正極活物質層21,21とを有している。これにより、この正極板20は、正極箔28の短手方向DBの他方側(図6中、右下側)に、正極活物質層21から正極箔28が露出した正極リード部28fを有する。
なお、電極体10は、図2に示すように、軸線方向DX一方(図2中、右方)側に、上述した正極板20の正極リード部28fが正極箔28の厚み方向DTに重なり合った、断面略長円状の正極箔重層部11を有する。さらに、この正極箔重層部11は、長円の平行部分に正極リード部28fの正極箔28同士を超音波溶接により厚み方向DTに互いに溶着させた正極箔溶着部12を含む(図2〜4参照)。
本実施例1にかかる電池1では、図3,4に示すように、正極箔重層部11の正極箔溶着部12と前述した正極端子構造体60の接合部材63(接合部63Y)とが抵抗溶接されている。そして、図3(図2のE部の部分拡大図)、及び、図5の断面図(図4のC部の部分拡大断面図)に示すように、正極箔溶着部12と接合部材63(接合部63Y)との間には、抵抗溶接の際、これらが溶融してできたナゲットNが形成されている。
なお、このナゲットNは、図3に示すように、正極箔28の拡がり方向(図3中、紙面に平行な方向)に散点状(格子状)に配置されている。また、この電池1では、ナゲットNの厚み方向DT(図5中、左右方向)の最大寸法Mが0.30mmで、正極箔溶着部12の厚み寸法Tが0.60mmである(図5参照)。
本実施形態(実施例1)に係る電池1では、正極箔重層部11の正極箔溶着部12と正極端子構造体60の接合部63Yとが散点状(格子状)に配置された複数のナゲットN,Nを介して結合されている(図3参照)。このため、正極箔重層部11と正極端子構造体60との間で良好な溶接強度を確保した電池1とすることができる。
また、正極端子構造体60と正極箔溶着部12とが、後述する抵抗溶接の際にできたナゲットNを介して抵抗溶接されている。しかも、正極箔溶着部12では、超音波溶接によって正極リード部28fの正極箔28同士が厚み方向DTに溶着しているので、各正極箔28と正極端子構造体60とを低抵抗で導通した電池1とすることができる。
また、正極箔重層部11と正極端子構造体60とは抵抗溶接されてなるので、正極端子構造体60に有する通電遮断機構62において、正極箔重層部11と正極端子構造体60とを超音波溶接したときに生じる不具合(例えば、作動圧のずれの発生)が生じることがない。従って、電池ケース80の内圧上昇により、電極体10への通電を確実に遮断可能な電池1とすることができる。
次いで、本実施形態(実施例1)にかかる電池1の製造方法について、図7を参照しつつ説明する。まず、それぞれ公知の手法で作製した帯状の正極板20と負極板30との間に、帯状のセパレータを介在させ、これらを捲回軸AXの周りに捲回する。このとき、正極板20の正極リード部28fを捲回軸AXの軸線方向DX一方側(図7中、左方側)に、負極板30の負極リード部38fを軸線方向DX他方側(図7中、右方側)にそれぞれ配置して捲回した。捲回後、扁平形状に変形して扁平捲回型の電極体10とした(図7参照)。この電極体10は、軸線方向DX他方側(図7中、左方側)に正極箔28の正極リード部28fが重なる正極箔重層部11を有している。
次に、本実施例1にかかる電池1の製造方法のうち形成工程について説明する。この形成工程では、まず、いずれも鋼鉄製の第1ブロック体110及び第2ブロック体120を用いる。このうち、第1ブロック体110は、概略矩形板状で、先端部112が厚み方向に切り欠かれて三角柱状(刃状)の形態を有する。また、第2ブロック体120は、概略矩形板状で厚み方向の一部が切り欠かれた状態の先端面121を有する。
この形成工程では、まず、第1ブロック体110を電極体10の正極箔重層部11の中央に挿入する。具体的には、図7に示すように、三角柱状の先端部112を電極体10側に配置した第1ブロック体110を、捲回軸AXに沿って、図7中、左側から右側に移動させる。そして、第1ブロック体110で正極箔重層部11を2つに分ける(図8参照)。これと共に、正極箔重層部11のうち長円の平行部分に外側から第2ブロック体120を押しつける。具体的には、図7に示すように、前述した先端面121を正極箔重層部11のうち長円の平行部分に向けて配置した第2ブロック体120を、短径方向DS(図7中、右下側から左上側)に移動させる。これにより、正極箔重層部11のうち長円の平行部分において、正極箔28の正極リード部28f(図8中、左方側)が、第2ブロック体120の先端面121、及び、第1ブロック体110の側面111に挟まれて、厚み方向DTに近接した状態にくせ付けされた正極箔近接部12Bが成形される(図8参照)。
続いて、正極箔近接部12Bで厚み方向DTに重なり合う正極箔28(正極リード部28f)を超音波溶接する。具体的には、図9に示すように、ホーン131のホーン加工面132を、これと対向し合うアンビル136のアンビル加工面137に対して平行に振動させる超音波溶接装置130を用いる。なお、ホーン131の先端面であるホーン加工面132には、四角錐台状に凸の第1凸部133が格子状(具体的には、2列×6列)に複数配置されている。このホーン加工面132における、第1凸部133,133同士間のピッチは0.50mmである。一方、アンビル136のアンビル加工面137にも、四角錐台状に凸の第2凸部138が格子状(具体的には、5列×20列)に複数配置されている。このアンビル加工面137における、第2凸部138,138同士間のピッチは0.10mmである。
この超音波溶接装置130のホーン131とアンビル136とで、正極箔近接部12Bを厚み方向DTに押圧すると共に、ホーン131から超音波振動を付与して、正極箔近接部12Bの正極箔28を超音波溶接した。これにより、正極箔重層部11に正極箔28同士が厚み方向DTに互いに溶着し合い一体化した箔溶着部12Cを成形する。
なお、図10に示すように、この箔溶着部12Cは、自身の表面のうち、短径方向外側DS1(図10中、上側)を向く第1箔溶着表面13に、この短径方向外側DS1に高位の第1高位部13Dと、この第1高位部13Dに比して低位の第1低位部13Eとを成形している。なお、本実施形態では、前述したホーン131の第1凸部133により形成された四角錐台状の窪みの底部を第1低位部13Eとし、窪み同士の間の部位を第1高位部13Dとする(図10参照)。
図10に示すように、第1高位部13Dは、第1箔溶着表面13と同一平面上に位置している。また、第1低位部13Eは、第1高位部13D内に、0.50mmのピッチ(第1ピッチP1)で格子状(具体的には2列×6列)に並んで分布している(図10参照)。
一方、図11に示すように、箔溶着部12Cの表面のうち、短径方向内側DS2(図11中、上側)を向く第2箔溶着表面14に、この短径方向内側DS2に高位の第2高位部14Dと、この第2高位部14Dに比して低位の第2低位部14Eとを成形している。なお、本実施形態では、前述したアンビル136の第2凸部138により形成された四角錐台状の窪みの底部を第2低位部14Eとし、窪み同士の間の部位を第2高位部14Dとする(図11参照)。
図11に示すように、第2高位部14Dは、第2箔溶着表面14と同一平面上に位置している。また、第2低位部14Eは、第2高位部14D内に、0.10mmのピッチ(第2ピッチP2)で格子状(具体的には5列×20列)に並んで分布している(図11参照)。
次いで、正極箔重層部11の長円の平行部分のうち逆側にも、同様にして箔溶着部12Cを作製する。以上により、2つに分けた正極箔重層部11の長円の平行部分のそれぞれに箔溶着部12Cを形成した電極体10ができあがる(図12参照)。
次に、本実施例1にかかる電池1の製造方法のうち抵抗溶接工程について説明する。この抵抗溶接工程では、いずれも銅製の第1電極141と第2電極146とを有する既知の抵抗溶接装置140を用いる。この抵抗溶接装置140では、第1電極141の第1電極面142と、第2電極146の先端面をなす第2電極面147とが、同軸上で互いに対向する(図13参照)。なお、第1電極面142及び第2電極面147は、いずれも外周円形で球殻状に膨出している。
抵抗溶接工程では、まず、正極端子構造体60の接合部材63の接合部63Yを、電極体10の正極箔重層部11のうち箔溶着部12Cに当接させる(図13,14参照)。具体的には、予め公知の手法で通電遮断機構62を有する正極端子構造体60を封口蓋82に組み付けておく。そして、正極端子構造体60の2つの接合部63Y,63Yのうち一方を、電極体10に2つある箔溶着部12C,12Cの一方の第1箔溶着表面13に当接させる(図13参照)。これにより、図14に示すように、箔溶着部12Cのうち、第1箔溶着表面13の第1高位部13Dを接合部63Yに当接させる。なお、接合部63Yのうち第1高位部13Dと当接している部位を当接部63YTとする。
次いで、前述した抵抗溶接装置140を用いて、正極端子構造体60の接合部63Yと、これに当接する箔溶着部12Cとを抵抗溶接する。具体的には、抵抗溶接装置140のうち第1電極141を箔溶着部12Cのうち第2箔溶着表面14側に、また、第2電極146を正極端子構造体60の接合部63Y側にそれぞれ配置する(図15参照)。そして、第1電極141と第2電極146とで、箔溶着部12Cと接合部63Yとを正極箔28の厚み方向DTに挟圧する。図16に第1電極141と第2電極146とで、箔溶着部12Cと接合部63Yとを挟圧した状態の断面図を示す。第1電極141と第2電極146との挟圧により、第1高位部13Dが接合部63Y(当接部63YT)に圧接する。この状態で第1電極141と第2電極146との間に電流を流して、箔溶着部12Cと接合部63Yとを抵抗溶接した。
但し、箔溶着部12Cの第1高位部13Dは、前述した形成工程において、第1低位部13Eほどには、正極箔28,28同士が高さ方向(正極箔28の厚み方向DT)に強く圧接されておらず、密接して重なっていない。このため、第1電極141と第2電極146との間に電流を流すと、第1高位部13Dの内部は、相対的に厚み方向DTに電流が流れにくいため、第1高位部13Dを流れる電流は、第1高位部13Dの内部を厚み方向DTに進むのではなく、第1高位部13Dと第1低位部13Eとの間に位置する斜面13Sをなす正極箔28を通じて、第1低位部13Eに進み、この第1低位部13Eで厚み方向DTに進む(或いはこの経路を逆に進む)と考えられる。図16中に電流が進む経路Lを矢印で示す。従って、抵抗溶接の際には、第1低位部13Eの周りの斜面13Sに集中して電流が流れて、この斜面13S及び第1低位部13Eが溶融する。
第1高位部13Dが接合部63Yに圧接すると、第1高位部13Dは厚み方向DTに押圧されて、この第1高位部13Dをなしている積層された正極箔28,28がそれぞれ薄くなる一方、その分の肉(アルミニウム)が第1高位部13Dの周囲に拡がり方向(図16中、左右方向)に押し出される。そして、押し出されたアルミニウムは、前述した斜面13Sで溶融される。
一方、第1電極141と第2電極146との挟圧により、第1箔溶着表面13よりもピッチの小さい第2箔溶着表面14の第2高位部14Dは、第1電極141の第1電極面142に厚み方向DTに押し潰される(図16参照)。すると、各第2高位部14Dを覆う酸化皮膜が破壊されて、その表面(変形面14C)の複数箇所にアルミニウム(新生面)が露出する。このため、第1電極141と第2箔溶着表面14との間の接触抵抗が低くなり、ここでの発熱が抑えられ、箔溶着部12C(第2箔溶着表面14)と第1電極141とが溶着することも防止できる。
このようにして、本実施例1にかかる電池1の製造方法のうち抵抗溶接工程では、箔溶着部12Cのうち第2箔溶着表面14の溶融を防いで、正極箔溶着部12と正極端子構造体60の接合部63Yとを確実に抵抗溶接することができる(図3,5参照)。
次いで、正極端子構造体60の接合部63Yのうちの他方と、箔溶着部12Cとを、同様にして抵抗溶接した。かくして、正極箔重層部11(正極箔溶着部12)に正極端子構造体60を結合した電極体10ができる。
一方、公知の手法で封口蓋82に組み付けた負極端子構造体70(負極内部端子部材71)を、電極体10の負極板30(負極リード部38f)に接合(抵抗溶接)した。その後、封口蓋82、正極端子構造体60及び負極端子構造体70と一体の電極体10を電池ケース本体81内に収容し、レーザ溶接を用いて、電池ケース本体81と封口蓋82とを隙間なく接合する。次いで、図示しない注液孔から電池ケース80内に電解液を注入した後、注液孔を封止して、本実施例1にかかる電池1が完成する(図1参照)。
ところで、本実施例1にかかる電池1の電極体10と正極端子構造体60との溶接状態を調査した。具体的には、抵抗溶接した電極体10の正極箔重層部11(正極箔溶着部12)と正極端子構造体60の接合部63Yとの間の溶接強度(剪断方向の引張強度)を、既知の引張試験機を用いて測定した。その結果を表1に示す。なお、この表1では、溶接強度(引張強度)が200N以上の場合には、溶接状態欄に「○」印を、150N以上200N未満の場合には「△」印を、150N未満の場合には「×」印を付した。

Figure 2014002227
また、電池1について、正極箔重層部11(正極箔溶着部12)及び接合部63Yを正極箔28の厚み方向DTに切断した切断断面を光学顕微鏡で観察したところ、ナゲットNの厚み方向DTの最大寸法Mが0.30mmであった。また、正極箔溶着部12の厚み寸法Tは0.60mmであった。
本発明者らは、上述した電池1との比較のため、前述した形成工程で、電池1とは第1低位部同士間の第1ピッチP1のみが異なる箔溶着部を形成した電池を複数製造した。具体的には、形成工程において、第1凸部同士間のピッチが0.15mmのホーン加工面のホーンを用いて、第1ピッチP1が0.15mmである箔溶着部を電極体の正極箔重層部に形成した。その後、実施例1にかかる電池1と同様に抵抗溶接工程を行い電池とした(実施例2の電池)。また、上述した実施例2の電池と同様にして、第1ピッチP1をそれぞれ0.22mm、0.67mm、0.83mm及び0.92mmとした箔溶着部を用いてできた各電池(実施例3〜6の各電池)をそれぞれ製造した。なお、実施例2〜6の各電池はいずれも、実施例1の電池1と同様、第2低位部,同士間の第2ピッチP2が0.10mmで、正極箔重層部の厚み寸法Tが0.60mmである(表1参照)。
一方、第1箔溶着表面に第1高位部及び第1低位部を、また、第2箔溶着表面に第2高位部及び第2低位部を成形していない箔溶接部を形成し、その後、実施例1等と同様に抵抗溶接工程を行って電池を製造した(比較例の電池)。この正極箔重層部の厚み寸法Tは、実施例1〜6と同様、0.60mmである(表1参照)。
実施例2〜6及び比較例の各電池について、電池1と同様にして、箔溶着部及び接合部63Yの間の溶接強度(引張強度)及びナゲットNの厚み方向DTの最大寸法Mを測定した。また、ナゲットNの最大寸法Mを正極箔重層部の厚み寸法Tで除した比M/Tを算出した。各測定結果について表1に示す。
表1によれば、第1ピッチP1が大きくなる程、ナゲットNの厚み方向DTの最大寸法Mもまた大きくなっている。この理由として、以下のことが考えられる。即ち、第1箔溶着表面の第1低位部は四角錐台形状の底部であるため、第1ピッチP1が大きいほど正極端子構造体60(接合部63Y)に覆われる第1低位部の数が少なくなる。このため、抵抗溶接の際、1つの第1低位部に集中する電流(電力)が大きくなるので、第1高位部と第1低位部との間の斜面、及び、第1低位部において、より多くのアルミニウムが溶融する。
また、実施例1〜6の各電池のうち、実施例2の電池の溶接強度が「△」となったのを除き、その他の実施例1,3〜6の各電池では、溶接強度が「○」となった。一方、比較例の電池では「×」となった。このことから、比M/Tと溶接強度との関係で見ると、比M/Tが0.20以上では、引張強度が200N以上となり溶接強度を十分に確保できるのに対し、比M/Tが0.20未満(具体的には0.17)となった実施例2の電池では溶接強度がやや劣ることが判る。このことから、第1低位部の第1ピッチP1が0.20mm以上とするのが好ましいことが判る。
一方、実施例1〜6の各電池のうち、実施例5,6の各電池では、抵抗溶接の際、寸法Mの大きなナゲットNが形成されると共に、ナゲットNからアルミニウムが少量噴出した。表1に示すように、これら実施例5,6の各電池の値M/Tは、0.83及び0.92であり、実施例1〜4の各電池に比して大きい。実施例5,6の各電池では、ナゲットNが大きくなり過ぎて、正極箔溶着部の残りの厚みが薄くなり、ナゲットNをなす溶融したアルミニウムの一部がナゲットNから正極箔溶着部の外部に噴出したと考えられる。但し、実施例5,6の各電池の溶接強度は、実施例2〜4の各電池と同様の強度を確保できている(表1参照)。噴出したのは、ナゲットNをなす溶けたアルミニウムのうちの少量であったので、全体としての溶接強度を十分に確保できたと考えられる。一方、後述する比較例では、最大寸法Mが大きくなり過ぎて、ナゲットN内の溶融したアルミニウムの多くが外部に噴出してしまい、ナゲットN部分が一部中空(孔)となっている。これらから、比M/Tは0.95以下とすると良く、第1ピッチP1が0.95mm以下とするのが好ましいことが判る。さらに、比M/Tが0.80以下(つまり、第1ピッチP1を0.75mm以下)とすると、抵抗溶接時に、溶融したアルミニウムの噴出を確実に抑えることができ、より好ましいことが判る。
なお、比較例として、第1高位部、第1低位部、第2高位部及び第2低位部を形成することなく、第1箔溶着表面及び第2箔溶着表面をいずれも平面形状のまま、正極箔を厚み方向に超音波溶接した箔溶着部に正極端子構造体60の接合部63Yを、前述した実施例1〜6と同じ溶接条件で抵抗溶接した電池を複数製造した(n=10)。これら比較例の電池についても、実施例1〜6の電池と同様にして、正極箔溶着部及び接合部63Yの間の溶接強度をそれぞれ測定した。すると、比較例の電池には、溶接強度が「○」印、即ち、ナゲットNの最大寸法Mが1.2mmで(このときの比M/TがM/T=2.00)、200N以上を満たす電池(5個/10個)が存在する一方、「×」印、即ち、溶接強度が150N未満の電池(5個/10個)も存在しており、抵抗溶接の溶接強度が「○」〜「×」までばらつき安定しないことが判った。なお、溶接強度が「×」印の電池は、多量のアルミニウムが噴出すると共に、正極箔溶着部に空孔が生じており、正極箔溶着部と正極端子構造体60の接合部63Yとがほぼ接合していない状態であった。
これは、正極箔溶着部及び正極端子構造体60の接合部63Yの接触面をいずれも平面としているので、最初に酸化皮膜が破壊された1つの部位に集中して電流が流れるため、この部分に大きなナゲットNが形成されやすい。このため、ナゲットNから溶融したアルミニウムが噴出しなかった場合には、溶接強度が良好(「○」印)な電池となる。一方、ナゲットNから溶融したアルミニウムが多量に噴出しナゲットNの一部が中空(孔)となった場合には、溶接強度の低い(「×」印)電池となると考えられる。
本実施形態にかかる電池1の製造方法のうち抵抗溶接工程では、箔溶着部12Cの第1高位部13Dを正極端子構造体60(接合部63Y)に当接させ電流を流し、複数の第1低位部にそれぞれナゲットNを形成した。このため、正極箔溶着部12と正極端子構造体60との間に生成したナゲットNは、多点で正極箔重層部11と正極端子構造体60とを結合する。このため、ナゲットNから溶融したアルミニウムが噴出する虞は低く、噴出しても少量にとどまる。かくして、抵抗溶接でありながら、正極箔重層部11と正極端子構造体60との間で良好な溶接強度を確保した電池1(及び実施例2〜6の各電池)を製造できる。
また、前述した抵抗溶接工程において、第1電極141で第2高位部14Dを厚み方向DTに押し潰すと、第2高位部14Dを覆う酸化皮膜が破壊されて、その表面(変形面14C)にアルミニウム(新生面)が露出する。これにより、第1電極141と第2箔溶着表面14との間の接触抵抗が低くなる上、これらの間が多点で接続されるので電流が分散して発熱しにくくなるので、第1電極141と正極箔溶着部12との溶着を防いで容易に電池1(及び実施例2〜6の各電池)を製造できる。
また、各実施例1〜6では、複数の第1低位部13E,13Eを第1高位部13D内に格子状に配置して成形し、複数の第2低位部14E,14Eを第2高位部14D内上に格子状に配置して成形している。しかも、第2低位部14Eの第2ピッチP2は第1ピッチP1よりも小さくしている。このため、抵抗溶接の際に同形の第1電極面142及び第2電極面147で挟んで溶接する場合には、第1高位部13Dより第2高位部14Dを厚み方向DTに変形(圧縮)させやすい。従って、第2箔溶着表面14に新生面を露出させて、この部分での発熱を抑えることができ、第1電極面142と第2箔溶着表面14との溶着をより確実に防ぐことができる。
また、実施例1にかかる電池1及び実施例3,4の各電池の製造方法では、前述した比M/Tを0.20以上としたので、良好な溶接強度の電池(電池1)を製造することができる。さらに、比M/Tを0.80以下としたので、抵抗溶接時に溶融したアルミニウムの噴出を確実に抑えて電池(電池1)を製造できる。また、上述の各電池(電池1)では、比M/Tを0.20以上としたので、良好な溶接強度の電池(電池1)とすることができる。さらに、比M/Tを0.80以下としたので、抵抗溶接時に溶融したアルミニウムの噴出を確実に抑えた電池(電池1)とすることができる。
また、正極端子構造体60に通電遮断機構62を有している電池では、電極体10の正極箔重層部11(箔溶着部12C)と正極端子構造体60とを超音波溶接すると、超音波振動が正極端子構造体60の通電遮断機構62にも伝わる。すると、超音波振動によって通電遮断機構62が作動したり、通電遮断機構62をなす部材等に変形等が生じて、通電遮断機構62の作動圧が所期の値からずれるなどの不具合が生じる場合がある。
これに対し、各実施例にかかる電池1等の製造方法では、正極端子構造体60と電極体10の箔溶着部12Cとの溶接にあたり抵抗溶接を用いるので、正極端子構造体60の通電遮断機構62に超音波振動が伝わることがない。従って、正極端子構造体60に通電遮断機構62を有する電池1等を歩留まり良く製造できる。
以上において、本発明を実施形態(実施例1〜6)に即して説明したが、本発明は上述の実施形態等に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。
例えば、実施例1等では、第1低位部を四角錐台形状に窪んだ凹部の底部とした。しかし、例えば、円錐形状に窪んだ凹部や、ピラミッド(四角錐)等の多角錐形状に窪んだ凹部としても良い。また、第2低位部の形態を第1低位部と同一種の形態(四角錐台形状に窪んだ凹部の底部)とした。しかし、第1低位部と異なる形態としても良い。また、複数の第1低位部を第1高位部内に、格子状に分布して成形した形態を例示した。しかしながら、複数の第1低位部を放射状に分布して成形した形態としても良い。また、複数の第2低位部を第2高位部内に、格子状に分布して形成した形態を示した。しかし、複数の第2低位部を放射状に分布して成形した形態としても良い。
また、実施例1等では、形成工程として、超音波溶接に用いるホーン131のホーン加工面132を凹凸形状とし、正極箔重層部11をなす正極箔28同士を互いに超音波溶接で溶着させると同時に、第1箔溶着表面(接合予定面)13に第1高位部13D、及び、複数の第1低位部13Eを成形した箔溶着部12Cを形成する工程を示した。しかし、例えば、箔重層部をなす正極箔同士を超音波溶接により互いに溶着させて箔溶着部を形成した後に、プレス等により接合予定面に、第1高位部及び複数の第1低位部を成形する工程を採用することもできる。また、第1箔溶着表面(接合予定面)13に第1高位部13D及び第1低位部13Eを成形すると同時に、第2箔溶着表面(電極側表面)14に第2高位部14D及び第2低位部14Eを成形した箔溶着部を形成した。しかし、接合予定面に第1高位部及び複数の第1低位部を成形した後、電極側表面に第2高位部及び複数の第2低位部を成形しても、逆に、電極側表面に第2高位部及び第2低位部を成形した後に、接合予定面に第1高位部及び第1低位部を成形しても良い。
1 電池(密閉型電池)
10 電極体
11 正極箔重層部(箔重層部)
12 正極箔溶着部(箔溶着部)
12C 箔溶着部(第1高位部と第1低位部とを形成した箔溶着部)
13 第1箔溶着表面(接合予定面)
13D 第1高位部
13E 第1低位部
14 第2箔溶着表面(電極側表面)
14D 第2高位部
14E 第2低位部
20 正極板
28 正極箔(アルミニウム箔)
28f 正極リード部(箔露出部)
60 正極端子構造体(正極端子部材)
62 通電遮断機構(圧力型通電遮断機構)
63YT 当接部
80 電池ケース
141 第1電極(抵抗溶接用電極)
DL 長径方向(拡がり方向)
DS1 短径方向外側(厚み方向一方側)
DS2 短径方向内側(厚み方向他方側)
DT 厚み方向
DX 軸線方向(拡がり方向)
M (ナゲットの厚み方向の)最大寸法
N ナゲット
P1 第1ピッチ
P2 第2ピッチ
T (箔重層部の)厚み寸法
本発明の一態様は、アルミニウム箔を有する正極板を含み、上記正極板のうち、上記アルミニウム箔が露出した箔露出部が厚み方向に重なる箔重層部を有する電極体と、アルミニウムからなり、上記箔重層部に抵抗溶接された正極端子部材と、を備え、上記箔重層部と上記正極端子部材とは、上記アルミニウム箔の拡がり方向に、散点状に分布する複数のナゲットを介して結合してなる電池の製造方法であって、上記箔重層部において、互いに重なるアルミニウム箔同士を超音波溶接により上記厚み方向に互いに溶着した箔溶着部であって、自身の表面のうち上記厚み方向一方側の接合予定面の少なくとも一部に、上記厚み方向一方側に高位の第1高位部と、上記第1高位部に比して低位で、上記第1高位部内に散点状に分布する複数の第1低位部と、を成形した箔溶着部を形成する形成工程と、上記第1高位部を上記正極端子部材に当接させ、電流を流し、上記第1低位部に上記ナゲットを生成し、上記ナゲットを介して上記電極体の上記箔溶着部と上記正極端子部材とを抵抗溶接する抵抗溶接工程と、を備え、前記形成工程は、前記箔溶着部の表面のうち、前記厚み方向他方側に位置し抵抗溶接用電極を当接させる電極側表面の少なくとも一部に、上記厚み方向他方側に高位の第2高位部と、上記第2高位部に比して低位で、上記第2高位部内に散点状に分布する複数の第2低位部と、を成形した上記箔溶着部を形成し、前記抵抗溶接工程は、上記抵抗溶接用電極で、上記第2高位部を上記厚み方向に押し潰しつつ行う電池の製造方法である。
さらに、アルミニウム箔を有する正極板を含み、上記正極板のうち、上記アルミニウム箔が露出した箔露出部が厚み方向に重なる箔重層部を有する電極体と、アルミニウムからなり、上記箔重層部に抵抗溶接された正極端子部材と、を備え、上記箔重層部と上記正極端子部材とは、上記アルミニウム箔の拡がり方向に、散点状に分布する複数のナゲットを介して結合してなる電池とするのが好ましい

Claims (9)

  1. アルミニウム箔を有する正極板を含み、上記正極板のうち、上記アルミニウム箔が露出した箔露出部が厚み方向に重なる箔重層部を有する電極体と、
    アルミニウムからなり、上記箔重層部に抵抗溶接された正極端子部材と、を備え、
    上記箔重層部と上記正極端子部材とは、上記アルミニウム箔の拡がり方向に、散点状に分布する複数のナゲットを介して結合してなる
    電池の製造方法であって、
    上記箔重層部において、
    互いに重なるアルミニウム箔同士を超音波溶接により上記厚み方向に互いに溶着した箔溶着部であって、自身の表面のうち上記厚み方向一方側の接合予定面の少なくとも一部に、上記厚み方向一方側に高位の第1高位部と、上記第1高位部に比して低位で、上記第1高位部内に散点状に分布する複数の第1低位部と、を成形した箔溶着部を形成する形成工程と、
    上記第1高位部を上記正極端子部材に当接させ、電流を流し、上記第1低位部に上記ナゲットを生成し、上記ナゲットを介して上記電極体の上記箔溶着部と上記正極端子部材とを抵抗溶接する抵抗溶接工程と、を備える
    電池の製造方法。
  2. 請求項1に記載の電池の製造方法であって、
    前記形成工程は、
    前記箔溶着部の表面のうち、前記厚み方向他方側に位置し抵抗溶接用電極を当接させる電極側表面の少なくとも一部に、上記厚み方向他方側に高位の第2高位部と、上記第2高位部に比して低位で、上記第2高位部内に散点状に分布する複数の第2低位部と、を成形した上記箔溶着部を形成し、
    前記抵抗溶接工程は、
    上記抵抗溶接用電極で、上記第2高位部を上記厚み方向に押し潰しつつ行う
    電池の製造方法。
  3. 請求項2に記載の電池の製造方法であって、
    前記複数の第1低位部は、前記第1高位部内に格子状に配置され、
    前記複数の第2低位部は、前記第2高位部内に格子状に配置されてなり、
    上記第2低位部同士間の第2ピッチが、上記第1低位部同士間の第1ピッチよりも小さくされてなる
    電池の製造方法。
  4. 請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の電池の製造方法であって、
    前記電池は、
    前記ナゲットの前記厚み方向の最大寸法をMとし、前記箔重層部の厚みをTとしたとき、
    M/Tが0.20〜0.80の範囲である
    電池の製造方法。
  5. 請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の電池の製造方法であって、
    前記電池は、
    電池ケース内に前記電極体を密閉してなる密閉型電池であり、
    前記正極端子部材は、
    上記電池ケースの内圧上昇により、上記電極体への通電を遮断する圧力型通電遮断機構を有する
    電池の製造方法。
  6. アルミニウム箔を有する正極板を含み、上記正極板のうち、上記アルミニウム箔が露出した箔露出部が厚み方向に重なる箔重層部を有する電極体と、
    アルミニウムからなり、上記箔重層部に抵抗溶接された正極端子部材と、を備え、
    上記箔重層部と上記正極端子部材とは、上記アルミニウム箔の拡がり方向に、散点状に分布する複数のナゲットを介して結合してなる
    電池。
  7. 請求項6に記載の電池であって、
    前記箔重層部は、
    前記アルミニウム箔同士を超音波溶接により前記厚み方向に互いに溶着した箔溶着部を有し、
    上記箔溶着部の少なくとも一部が、前記正極端子部材に前記複数のナゲットを介して抵抗溶接されてなる
    電池。
  8. 請求項6又は請求項7に記載の電池であって、
    前記ナゲットの前記厚み方向の最大寸法をMとし、前記箔重層部の厚みをTとしたとき、
    M/Tが0.20〜0.80の範囲である
    電池。
  9. 請求項6〜請求項8のいずれか1項に記載の電池であって、
    電池ケース内に前記電極体を密閉してなる密閉型電池であり、
    前記正極端子部材は、
    上記電池ケースの内圧上昇により、上記電極体への通電を遮断する圧力型通電遮断機構を有する
    電池。
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